对气态腐蚀性空气具有增强保护的电力转换系统的制作方法

对气态腐蚀性空气具有增强保护的电力转换系统


背景技术：

1.用于提供电力以驱动马达和其他负载的电力转换系统(例如马达驱动器和总线供电)经常在具有腐蚀性空气的环境中使用，腐蚀性空气可对内部电子部件高度有害。例如，马达驱动器和总线供电经常在恶劣的环境中使用，在该环境中，马达驱动器和总线供电暴露于包括诸如硫(例如，颗粒硫或诸如硫化氢气体的气态化合物)或氯气的化合物的腐蚀性空气。已经发现这些化合物和其他化合物会导致设备内部的暴露的金属表面(例如电连接器的暴露的金属触点)的腐蚀。这样的腐蚀可能导致马达驱动器、总线供电或其他设备的过早故障和意外故障，这是非常不期望的事件。在一些情况下，腐蚀会导致中断关键电路的连接断裂或断开，并且在其他情况下，腐蚀可能导致导电枝晶(electrically conductive dendrites)的形成，所述导电枝晶可以在两个触点之间或者在触点与相邻金属表面之间延伸，使得发生电弧、火灾、短路或其他故障。在其他情况下，腐蚀可能严重损坏暴露的、未使用的电子触点或连接器到以下程度：其不再能满足未来使用所需的功能的程度，或者其造成对相关或相邻部件的短路或腐蚀损坏的程度。因此，已经发现需要以下马达驱动器或总线供电电力转换系统：所述马达驱动器或总线供电电力转换系统包括用于对抗腐蚀性空气的有害影响的特征，以提供改善的寿命和性能。


技术实现要素：

2.根据本发明的一个实施方式，一种电力转换系统，包括整流器，该整流器具有用于对ac输入电力进行整流的至少一个整流器开关模块。dc总线连接至整流器。逆变器可选地连接至dc总线，并且包括用于将dc总线电压逆变为ac输出电力的至少一个逆变器开关模块。至少一个整流器开关模块和至少一个逆变器开关模块各自包括基板和连接至基板的壳体。壳体限定包含至少一个半导体开关的内部空间。保护覆盖层包括防腐蚀材料，并且将内部空间划分成位于基板与保护覆盖层之间的内部子空间以及位于保护覆盖层与壳体之间的外部子空间。至少一个半导体开关位于内部子空间中，使得外部子空间中的空气在进入内部子空间之前穿过防腐蚀材料的保护覆盖层。
3.根据本发明的另一实施方式，该系统包括印刷电路板组件，该印刷电路板组件包括多个电子部件、多个通孔和多个测试点。印刷电路板包括保形涂层，该保形涂层至少覆盖电子部件、多个通孔和多个测试点。可选地，在保形涂层的顶部设置纳米涂层的一个或更多个局部区域，以用于某些部件的附加的多层涂层保护。
4.根据本发明的另外的实施方式，该系统包括多个未使用的连接器，并且未使用的连接器中的每一个包括与其相配的可移除连接器盖，以保护未使用的连接器的金属触点免于与腐蚀性空气接触。
5.根据本发明的另一方面，一种系统，包括多个有源连接器，所述多个有源连接器分别连接至对应的相配连接器，其中，每个有源连接器包括一个或更多个金属触点，所述一个或更多个金属触点与对应的相配连接器的对应金属触点邻接。所述金属触点和所述对应金属触点被介电润滑脂层保护免受腐蚀。
6.根据本发明的另外的实施方式，该系统包括风扇，该风扇包括风扇印刷电路板组件，该风扇印刷电路板组件包括多个风扇电子装置。风扇印刷电路板组件包括至少覆盖风扇电子装置的保形涂层，例如聚对二甲苯。
7.根据本发明的另一实施方式，该系统包括内部和外部涂覆有保护性防腐蚀纳米涂层的光纤收发器。
8.根据本发明的另一实施方式，该系统包括容纳整流器和dc总线的外壳，以及还包括可选的逆变器，如果包括的话。该系统还包括完全包住外壳的保护膜，使得保护膜限定包括外壳的密封的内部空间。保护膜包括柔性聚合物基底以及包含在聚合物基底中的金属颗粒。
附图说明
9.图1示出了电动马达驱动器或总线供电电力转换系统(“马达驱动器”或“总线供电”)的一个示例，并且部分地示出了外部耐腐蚀膜包装。
10.图2是诸如图1的系统的电力转换系统的框图。
11.图3示出了根据本发明实施方式的包括保形涂层(conformal coating)的图1的系统的印刷电路板组件。
12.图4是用于根据本发明实施方式提供的系统(例如图1的系统)的耐腐蚀开关模块的截面图。
13.图5(包括图5a和图5b)示出了用于防止马达驱动器内部的连接器腐蚀的各种保护连接器盖。
14.图6是示出使用介电润滑脂(dielectric grease)来抑制电力转换系统马达驱动器的连接器的腐蚀的局部截面图。
15.图7示出了在其印刷电路板组件上包括保形涂层以抑制腐蚀的电力转换系统的风扇。
16.图8示出了用于根据本发明实施方式提供的电力转换系统的纳米涂层光纤收发器。
具体实施方式
17.图1和图2示出了电动马达驱动器或总线供电电力转换系统100(有时称为“马达驱动器”或“总线供电”)的一个示例，所述电动马达驱动器或总线供电电力转换系统100用于将来自电网或其他源102的输入电力(例如单相或多相ac电力)转换成用于马达或其他负载的输出电力104，使得输出电力具有所需的电压、电流、频率和/或相位，以用于以期望的效果驱动负载。电力转换系统100容纳在金属板或其他外壳100e内，该外壳100e包含多个印刷电路板组件(pcba)，印刷电路板组件包括如下所述的系统100的操作使用所需的电气装置和电路。
18.如图2更具体地示出的，电力转换系统100包括连接至dc总线电路140的整流器130。整流器130包括用于对ac输入电力102进行整流并且将其供应给dc总线140的多个整流器开关130x。电力调节电路，例如lcl滤波器电路120，可选地连接在输入电力102与整流器130之间。可以包括逆变器150，并且逆变器150包括用于将dc总线电压逆变为期望的ac输出
电力104的多个逆变器开关150x。替选地，逆变器150被省略，使得dc总线提供dc输出电力105作为总线供电。整流器开关130x和逆变器开关150x均可以是绝缘栅双极晶体管(igbt)器件或任何其他合适的半导体开关。一个或更多个风扇160设置在外壳100e内部或外部，用于在外壳100e内部循环空气，以冷却开关130x、150x和系统100的其他电气部件。
19.电力转换系统100还包括控制系统170，该控制系统170包括控制系统170所需的一个或更多个微处理器、微控制器、存储装置、随机存取存储器装置、输入/输出装置等，以基于所执行的软件、固件、逻辑和其他控制指令，并且还基于从输出电力104的电压或电流、从被驱动的马达或其他负载或者从其他源接收的反馈信号，来控制开关130x、150x和系统100的所有其他部件。控制系统170还连接至一个或更多个人/机接口装置106，例如一个或更多个键盘、视觉显示屏、音频装置、触摸屏或其他人工输入/输出装置。控制系统170还连接至一个或更多个有线或无线网络接口装置108，例如网络端口、光纤收发器、无线收发器等，以用于向一个或更多个连接的系统传输数据以及从一个或更多个连接的系统接收数据。
20.根据本发明的实施方式提供的电力转换系统100包括如下所述的至少一个防腐蚀特征，并且优选地多个防腐蚀特征，以保护系统100免受包括腐蚀性化合物和其他污染物的环境空气所引起的腐蚀和其他有害影响。
21.再次参照图1，根据本发明的第一方面，包括其外壳100e的系统100被完全包裹并封闭在保护性柔性防潮和耐化学性包装膜200(仅部分示出)内，该保护性柔性防潮和耐化学性包装膜200保护系统100在其最终组装与其操作使用之间的运送和贮存期间免受空气污染物所引起的腐蚀。保护膜200在马达驱动器的操作使用之前被去除。更具体地，在系统100最终组装之后，防潮和耐化学性膜200用于完全覆盖系统100的所有外表面，使得安装的保护膜200限定密封或封闭的内部空间200s，该密封或封闭的内部空间200s包含系统100，并且包括与位于内部空间200s之外的环境空气aa分隔的内部空气200a。膜200可以以包或袋的形式来提供，该包或袋在封闭/密封时完全容纳系统100/马达驱动器外壳100e。替选地，膜200可以以收缩包裹或类似的紧密包裹的柔性膜的形式来提供，该柔性膜缠绕并覆盖外壳100e的所有外表面。在一个示例中，膜200包括聚合物基底(polymeric substrate)，该聚合物基底包括结合在聚合物基底中的包含铜的颗粒。聚合物基底可以包括任何合适的包装膜聚合物，例如低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或其它聚合物基底。当环境空气aa通过膜200转移时，由膜基底携带的铜颗粒与环境空气中包含的腐蚀性化合物，例如盐、硫化合物、臭氧、氯、氮氧化物和其他“腐蚀性气体”，进行反应，以在转移的空气进入保护膜200所限定的内部空气之前中和腐蚀性化合物。通过膜200转移至内部空间200s中的湿气和气体的腐蚀效应因此被大大减少或消除，以保护系统100及其部件免受腐蚀和污染。可选地，当系统100被包裹在膜200中用于运送、运输和贮存时，系统100在膜200所限定的内部空间200s内还包括：(i)硅胶或其它吸收湿气的干燥剂210的包装或容器；以及/或者(ii)挥发性腐蚀抑制剂(vci)散发装置215，其散发填充内部空间200s并且覆盖位于其中的所有表面的防腐蚀化合物。在系统100的操作使用之前去除膜200、干燥剂210和vci装置215。一种合适的膜200可以从德国埃森纳赫的intercept technology gmbh购得，注册商标为intercept。
22.如图3所示，在外壳100e内系统100包含一个或更多个印刷电路板组件(pcba)300。每个pcba 300包括电路板b和可操作地固定至电路板b的多个电子装置e，所述多个电子装
置e包括上述开关130x、150x、控制系统170的部件、网络接口108的部件、人机接口的部件106以及/或者其他电子装置。根据本公开内容的实施方式，系统100的一个或更多个pcba 300，并且优选地系统100的每个pcba 300，包括增强的保形涂层300c，以保护电子部件e和pcba的其他部分免受包括腐蚀性蒸汽或颗粒和/或其他污染物的环境空气aa所引起的腐蚀和其他损坏。pcba 300包括一个或更多个禁入(keep out)区域r1、r2、r3，例如其中省略了保形涂层300c的边缘连接器ec和其他区域。否则，最优选的是pcba的每个暴露的金属结构在其上都包括保形涂层300c。在一个实施方式中，保形涂层300c是紫外光(uv)固化的聚合物涂层，其被喷涂并固化到除了位于禁入区域r1至r3中的电子装置和金属结构之外的所有电子装置e和所有暴露的金属结构(例如pcba的引线框架)上。在一个非限制性示例中，保形涂层300c包括uv固化的丙烯酸聚氨酯保形涂层，但是可以替选地使用其他聚合物涂层。在另一实施方式中，保形涂层300c包括纳米涂层，例如c6氟碳纳米涂层，其一个示例可以从drywired,llc购得，注册商标为产品代码101x。在另一实施方式中，保形涂层300c包括基础保形涂层，例如uv固化的丙烯酸聚氨酯等，并且还包括一个或更多个“点”或局部区域，所述一个或更多个“点”或局部区域还包括相同材料或不同材料的附加涂层，例如上述纳米涂层或其它纳米涂层。如细节a所示，pcba 300还包括一个或更多个通孔300v以及一个或更多个测试点300t。每个通孔300v包括部分或完全延伸穿过电路板b的孔，该孔具有导电金属衬里以将位于电路板b的不同层中的迹线互连。测试点300t均包括一个或更多个金属触点，所述一个或更多个金属触点导电地连接至电路板b的相应迹线。因此，每个通孔300v的金属衬里和每个测试点300t的金属触点暴露于系统100所位于的环境空气aa。根据本发明，每个通孔300v和测试点300t的这些暴露的金属结构涂覆有在适当位置被uv固化的保形涂层300c，以防止这些暴露的金属结构300v、300t与腐蚀性环境空气aa之间的接触。类似地，如细节b所示，pcba 300的电子装置e中的一个或更多个是包括金属引线框架300f的芯片或其他装置，该金属引线框架300f包括易受腐蚀影响的多个金属引线300d。根据本发明的实施方式，引线框架300f及其引线300d涂覆有在这些结构上的适当位置被紫外线(uv)固化的保形涂层300c，以抑制这些暴露的金属表面与腐蚀性环境空气aa之间的接触。在如上所述的一个实施方式中，每个测试点300t、通孔300v和/或每个引线框架300f及其引线300d包括多层保护涂层，该多层保护涂层包括第一层uv固化的保形涂层300c，以及第二外层保护涂层300n(图3)，例如纳米涂层，使得pcba包括保形涂层300c和一个或更多个局部区域，所述一个或更多个局部区域还包括作为外层的纳米涂层或其他第二保护涂层300n。
23.如上所述，系统100包括多个半导体开关器件或开关130x、150x，例如igbt开关。已经发现这些开关和类似的开关130x、150x容易受到硫化合物(例如含硫气体(s8)、二氧化硫(so2)、硫化氢(h2s)、甲硫醇(硫醇))以及有时存在于环境空气aa中的其他腐蚀性化合物所引起的腐蚀的影响。特别地，硫或其他腐蚀性空气aa会导致枝晶(例如硫化铜(i)(cu2s))枝晶的形成，这最终导致开关130x、150x的短路和过早故障。为了对抗这种不期望的结果，如图4所示，根据本发明的实施方式的系统100还包括其中包含开关130x、150x的多个耐腐蚀开关模块400。在一个实施方式中，整流器开关130x包含在至少一个整流器开关模块400(例如，三个整流器开关模块400)中，并且逆变器开关150x包含在至少一个逆变器开关模块400(例如，三个逆变器开关模块400)中。在每个开关模块400中，一个或更多个半导体开关
130x、150x(例如所示的一对igbt开关402)被支承在包括导电金属(例如铜)的基板404上。在开关402与其他结构之间设置有多个接合线和其他电连接406。诸如聚合物壳体的壳体408包括侧壁410和顶壁412，并且固定至基板404。壳体408将开关402和连接406封闭在内部壳体空间400s中。第一和第二引线或端子400t可操作地连接至开关402，并且穿过壳体408例如穿过顶壁412向外伸出。为了最小化或消除进入空间400s的环境空气aa中包含的硫化合物的腐蚀效应，开关模块400包括在侧壁410之间延伸并且完全覆盖开关402的保护性牺牲覆盖层420，使得开关402被包含在基板404与保护层420之间所限定的内部受保护子空间400sa中。外部子空间400sb被限定在保护层420与顶壁412之间。内部子空间400sa通过保护层420与外部子空间400sb分隔。保护层420包括牺牲防腐蚀材料420m，牺牲防腐蚀材料420m包括聚合物或其他介电基底422的柔性垫或刚性层，粉末、颗粒或其他反应物424分散在聚合物或其他介电基底422中，以中和从外部子空间400sb通过保护层420渗透至内部子空间400sa中的腐蚀性化合物。在一示例中，限定保护层420的防腐蚀材料包括硅胶或硅橡胶基底422，该硅胶或硅橡胶基底422包括均匀分布在整个基底上的铜和/或其他金属颗粒424。渗入保护层420的腐蚀性化合物与包含在保护层420中的铜或其他金属颗粒424进行反应，使得金属硫化被形成并且被捕获在保护层内，由此通过保护层420进入内部子空间400sa的空气中的腐蚀性化合物被最小化或完全消除。保护层420是牺牲性的，原因在于反应物颗粒424最终将完全反应，此时它们将不再提供任何保护性中和功能。在一些实施方式中，开关模块400包括限定在壁部分410与基板404之间以及/或者在壳体408的部分之间的一个或更多个接缝430。在这种情况下，开关模块400可选地还包括由位于每个接缝430中的牺牲防腐蚀材料420m的小珠限定的保护性密封件或垫圈440，使得通过接缝430进入内部子空间400sa的任何腐蚀性空气aa必须渗透通过由防腐蚀材料420m限定的垫圈或密封件440，使得空气中的腐蚀性化合物在进入内部子空间400sa之前被中和。在一个实施方式中，如在公开的欧洲专利申请ep 3422399 a1中所描述的那样提供开关壳体400，欧洲专利申请的全部公开内容在此通过引用明确地并入本说明书中。
24.如图5(包括图5a和图5b)所示，系统100及其印刷电路板组件300包括外壳100e内部的多种不同类型的电连接器c1至c8。这样的连接器的非限制性示例在图5中示出，并且包括pcie连接器c1、pcba边缘连接器c2、8引脚或其他din连接器c3、测试点连接器c4、多插座连接器c5、光纤收发器连接器c6、多引脚连接器c7、以及单触点或多触点刀片连接器c8。连接器c1至c8中的每一个包括一个或更多个金属触点cx，当连接器不与相配的连接器在操作上连接时，所述一个或更多个金属触点cx容易受到腐蚀性环境空气的腐蚀的影响。在许多最终安装中和/或在运送、搬运和贮存期间，各种连接器c1至c8未使用或“空闲”，并且因此未连接至对应的相配连接器。根据本发明的实施方式，系统100包括分别与未使用的连接器c1至c8配合的多个保护性连接器盖cc1至cc8(每个连接器盖cc1至cc8以相对于其相配的连接器c1至c8的分解图示出)。连接器盖cc1至cc8各自可以包括一体成型的聚合物主体，该聚合物主体分别与未使用的连接器c1至c8配合，以覆盖和保护连接器c1至c8的金属触点cx，并且金属触点cx除了被连接器盖cc1至cc8保护以外还可以可选地涂覆有介电润滑脂(dielectric grease)层。因此，保护系统100的所有未使用或“开放的”连接器免受腐蚀性环境空气aa的影响。
25.参照图6，为了针对环境空气aa中包含的腐蚀性化合物提供进一步增强的保护，根
据本发明的实施方式提供的系统100还包括在至少以下连接器的所有金属触点cx上的介电润滑脂涂层dg：(i)在连接至对应的相配连接器时的每个pcie连接器c1；(ii)在连接至对应的相配连接器时的每个pcba边缘连接器c2；以及(iii)在与光纤收发器500(参见图8)配合时的每个光纤收发器连接器c6。介电润滑脂dg是不导电的，并且保护有源连接器的一个或更多个金属触点cx以及相配连接器的一个或更多个对应的金属触点cx免受硫化合物和环境空气aa中包含的其他腐蚀性化合物的腐蚀。应当注意，当触点cx配合时，会抑制触点cx之间电信号传导的任何过量的介电润滑脂dg被物理地擦除或移去，使得相邻的相配触点cx之间存在电连接。根据本发明的实施方式，每个“有源”连接的pcie连接器c1、每个有源连接的边缘连接器c2和每个有源连接的光纤收发器连接器c6的触点通过施加至触点cx的介电润滑脂层而被保护免受腐蚀性空气aa的影响，而每个未使用的连接器c1至c8的金属触点cx被相应的可移除连接器盖cc1至cc8保护免受腐蚀性环境空气aa的影响，如以上结合图5所述。在一个优选的示例中，介电润滑脂包括紫外(uv)示踪剂材料，使得可以使用检测uv示踪剂材料的存在的自动检查设备来检查润滑脂dg的应用。
26.如上所述，系统100包括一个或更多个风扇160，所述一个或更多个风扇160设置在外壳100e内部或以其他方式与外壳100e连通，用于在外壳100e内部循环空气以冷却开关130x、150x和其他电气部件。这些风扇160容易受到腐蚀性环境空气aa的损坏。风扇160的故障可能导致系统100的其他部件过热并且可能导致关机。如图7所示，每个风扇包括风扇pcba 162，风扇pcba162包括多个风扇电气部件164，风扇电气部件164包括金属触点和引线。已经发现风扇故障的主要来源是风扇pcba部件164的金属触点和引线的腐蚀。因此，根据本公开内容的实施方式提供的系统100包括涂覆有如图7中的斜线阴影所指示的保形涂层166(例如聚对二甲苯或类似的保形涂层)的风扇pcba162。保形涂层至少覆盖pcba 162上的所有风扇电子部件164和暴露的金属结构，并且可以可选地在两侧上覆盖整个pcba 162。风扇pcba 162上的这种保形涂层166通过减少或完全消除腐蚀性环境空气aa与风扇pcba 162的风扇电子部件164之间的接触来抑制电子部件164的腐蚀。
27.如所指出的，系统100包括如图5所示的一个或更多个光纤收发器连接器c6。图8示出了光纤收发器500，其适于基于经由连接器c6从pcba接收的电输入数据来发送光数据信号，并且适于基于接收到的光信号经由连接器c6向pcba传输的电输出数据。光纤收发器500包括pcba 510，pcba 510包括适于与图5所示的光纤收发器连接器c6配合的边缘连接器c5。如上所讨论的，光纤收发器500的边缘连接器c5的触点cx在与连接器c6配合之前涂覆有介电润滑脂，以保护连接器c6和边缘连接器c5两者的触点cx免受腐蚀。根据本公开内容的实施方式，在耐腐蚀涂覆过程中整个光纤收发器500通过浸入涂层材料的液池中而被涂覆，其中该涂层材料然后被烘烤或以其他方式固化在光纤收发器500上。边缘连接器c5的触点cx在涂覆过程中被介电润滑脂或其他的涂层覆盖和保护，并且优选地还被可移除连接器盖cc5覆盖。如所示的，在涂覆过程中，收发器防尘盖516也保持安装。为了保护收发器500免受腐蚀性空气aa的影响，将整个收发器500完全浸入纳米涂层材料(例如疏水和疏油的c6氟碳液体)的池中，使得收发器500在所有未受保护的内部表面和外部表面上在内部和外部涂覆有纳米涂层材料。在浸入这样的涂覆液中之后，从涂层材料的池中取出收发器500并允许其排干，并且允许涂层例如通过加热而固化，使得在收发器500的所有暴露的内部表面和外部表面上包括保形涂层的超薄层520。以这种方式，收发器500内部的所有pcba部件和其他部
件包括保护性保形涂层520，并且因此被保护免于与腐蚀性环境空气aa接触。一种合适的涂层材料可以从drywired,llc购得，注册商标为产品代码101x。drywired 101x是c6氟碳纳米涂层，其形成保护电子装置免受湿气和腐蚀影响的超薄保形涂层。
28.在前面的说明书中，已经参照附图描述了各种实施方式。然而，明显的是，在不脱离所附权利要求书中阐述的本发明的更宽泛的范围的情况下，可以对各种实施方式进行各种修改和改变，并且可以实现另外的实施方式。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。